Гидроабразивная резка — технология и возможности

Широко распространенные процессы плазменно-дугового разделения материалов имеют свои ограничения. Электрическая дуга весьма нестабильна: при работе с металлами повышенной электропроводности (меди, латуни) операция часто характеризуется оплавлением боковых краёв. Наличие газов — побочных продуктов плазменной резки — вынуждает проводить дополнительные мероприятия по экологической защите участка, где производится резка. Плазменный раскрой материалов — диэлектриков (стекла, камня и т.д.) вообще невозможен. В подобных ситуациях нет альтернативы процессам гидрорезки. Большую популярность среди такой группы методов получила гидроабразивная резка.

Гидроабразивная резка металла

Сущность способа и варианты практической реализации

Разъединение материалов при гидравлической резке происходит вследствие воздействия на поверхность раздела узконаправленного потока жидкости — воды — высокого давления. При этом для интенсификации процесса в технологическую зону может одновременно подаваться мелкодисперсная абразивная среда (чаще всего с этой целью применяют различные виды песка). Соединяясь, эти два потока образуют очень жесткую струю, давление в которой (благодаря повышенной скорости движения) локально превышает предел прочности разрезаемого материала. Если перемещать инструментальную головку, где происходят все вышеописанные механические процессы, по определённой траектории, то можно с требуемым качеством и точностью получать весьма сложные конфигурации контура.

Подробнее о гранатовом песке для гидроабразивной резки

Гидроабразивная резка металла с применением воды производится при следующих рабочих характеристиках:

  1. Давление — 2000-5000 ат (меньшие значения — для более мягких преимущественно тонколистовых материалов).
  2. Скорость водного потока — до 1000-1200 м/с.
  3. Расход абразива — до 50 г/с.
  4. Средний размер абразивной частицы в плане — 100-600 мкм (с увеличением этого параметра точность разъединения материалов снижается).
  5. Расход воды — до 4 л/мин.
  6. Гидроабразивная обработка осуществляется в такой последовательности. Разрезаемый материал укладывается в ванну, заполненную водой, и фиксируется по трем координатам относительно инструментальной головки. Это может выполняться собственноручно на неавтоматизированной установке, а на оборудовании с ЧПУ — при помощи предварительно набранной программы разъединения материала.

Далее инструментальная головка опускается в ванну, после чего включается интенсивная подача воды соответственных значений скорости и давления. Жидкость, проходя через сопло резака, смешивается там с тангенциально подаваемым потоком абразива. Обе струи смешиваются, и через отверстие в нижнем торце сопла направляются на поверхность разъединяемого материала. Вручную или программно происходит сближение сопла, в результате чего результирующее давление струи резко увеличивается, производя размерное разрушение краев.

Частицы материала увлекаются в образовавшийся зазор, после чего, теряя свою скорость, попадают на дно ванны, откуда откачиваются специальным насосом, предусмотренным конструкцией установки. В процессе откачки происходит отделение фракций абразива от воды, с последующей его фильтрацией и сушкой. Ввиду достаточной ёмкости баков для воды гидроабразивная резка может вестись непрерывно, и с увеличенными скоростями струи.

Пример резки металла на установке ГАР

Ванна оборудования, где производится гидроабразивная обработка, выполняет две функции:

  • Снижает уровень шума при разрезании (до 78-80 дБ против 130-140 дБ в случае обработки вне водяной среды);
  • Гасит энергию и скорость струи воды.

Строение сопла ГАР для резки чистой водой

Строение сопла ГАР для резки чистой водой

Строение сопла ГАР для резки водой с абразивом

Строение сопла ГАР для резки водой с абразивом

Технологические возможности способа

Рассматриваемая технология очень эффективна в таких случаях:

  • Для материалов-диэлектриков и токопроводящих изделий, изготовленных из цветных металлов и сплавов на основе меди. Это объясняется тем, что параметры электропроводности медных сплавов не позволяют использовать для резки электрическую дугу или лазер.
  • При необходимости разъединения деталей очень большой толщины — до 250-300 мм: в этом случае при плазменно-дуговой резке всегда происходит оплавление края.
  • Для обеспечения должной точности поверхности раздела: при правильном подборе режима шероховатость кромки получается в пределах Ra 0,5-Ra 1,25, что заметно превышает возможности любого другого высокоэнергетического метода.
  • При недопустимости коробления готового изделия, что неизбежно при любом из вариантов технологии термической резки.

Гидроабразивная резка металла имеет свои ограничения, поэтому технология разрабатывается с учётом таких возможностей, в частности, по толщине:

  • Для цветных металлов и сплавов и нержавеющей стали — не более 120-150 мм;
  • Для углепластиков, композитных материалов – не более 150-200 мм;
  • Для искусственного и природного камня (мрамора, гранита, базальта и т.п.) — не больше 270-300 мм.

При разработке технологии важно учитывать, что токопроводящие материалы относительно небольшой толщины (5-10 мм) струя, вырабатываемая рабочей установкой, режет плохо: сказывается заметная энергоемкость, при производительности, сравнимой с плазменно-дуговой или лазерной обработкой. Однако это не означает, что рассматриваемая технология неприменима для разделения тонких пластин или листов: в этом случае абразивный поток отключается, и отделение выполняется непосредственно водяной струей. В результате поверхность не нагревается, что исключает окалинообразование, высокотемпературное оплавление линии раздела и прочие недостатки, характерные для всех технологий термического разделения материалов.

Оборудование гидроабразивной резки

Станок гидроабразивной резки — сложное и энергоемкое оборудование, содержащее такие узлы:

  • Инструментальную головку, оснащенную функцией поворота резака под определённым углом, что позволяет обрабатывать с определенной скоростью поверхности сложной конфигурации.
  • Насосную установку для прокачки воды с системой её фильтрации.
  • Компрессорную станцию подачи абразивных фракций под давлением.
  • Рабочий стол с устройством трехкоординатного позиционирования (для небольшого оборудования эту работу выполняет оператор установки собственноручно).
  • Ванну с водой, которая по конструкции связана со станиной оборудования.
  • Рабочие ёмкости для воды и абразива.
  • Управляющее устройство ЧПУ, или пульт для ручного позиционирования заготовки своими руками.

Пример продукции, которую изготавливают на оборудовании ГАР

Наибольшей популярностью пользуются аппараты гидроабразивной резки итальянской фирмы WaterJet Cоrp. Inc., которая выпускает оборудование консольного и портального типов. Первое предназначено для резки относительно небольшой по размерам продукции, второе, отличающееся повышенными точностью и жесткостью, подходит для обрабатываемых изделий большой толщины.

WaterJet Cоrp. Inc производит не только сами силовые установки, но и насосное оборудование к ним. Ходовой портал аппаратов фирмы оснащается автоматизированным позиционированием, и вместе с тем позволяет выполнять разделение материалов, разных не только по своему химическому составу, но и по толщине — качество, невозможное в принципе для оборудования термической резки.

Массовая резка деталей на станке ГАР

Заключение

Гидроабразивная резка во многих ситуациях считается единственным способом получения пространственных деталей. Только рассмотренной технологией можно производить разделение практически без нагрева заготовки (максимальное повышение температуры кромки составляет 600 °С, а при обработке в водяном баке еще меньше). Подобным оборудованием можно выполнить разделение толстолистового стекла, керамики, твердых сплавов — материалов, которые весьма чувствительны к повышенным температурам. Хорошее качество конечного результата исключает потребность в последующих переходах, а весьма малая толщина струи — до 0,8 мм — минимизирует потери материала. Высокое давление, создаваемое в зоне разъединения, не вызывает появление остаточных напряжений в заготовке, и способствуют последующему повышению её эксплуатационной долговечности.